高效晶体硅太阳电池技术及其应用进展

洛阳中硅高科技有限公司 ■ 常欣

高效晶体硅太阳电池技术及其应用进展

洛阳中硅高科技有限公司 ■ 常欣

综述几种极具应用前景的高效晶体硅太阳电池的技术和应用进展，包括选择性发射极太阳电池、异质结太阳电池、交错背接触太阳电池、金属环绕贯穿太阳电池，以及发射极环绕贯穿太阳电池。

高效；晶体硅太阳电池；选择性发射极；异质结；背接触

0　引言

目前，晶体硅太阳电池应用最为广泛，其中高效晶体硅太阳电池技术始终是国际光伏行业研究的热点之一。晶体硅太阳电池是目前商业化程度最高、制备技术成熟的太阳电池，自从第一块晶体硅p-n结太阳电池于1954年在贝尔实验室问世以来[1]，人们对晶体硅太阳电池的研究经久不衰，提高电池的光电转换效率、降低成本、易于产业化的高效电池技术是行业当前研究的热点问题。

一般认为，晶体硅太阳电池效率提升1％，发电成本可下降6％。近年来新型产业化高效电池技术层出不穷，如选择性发射极电池、异质结(HIT)电池、交错背接触(IBC)电池、金属环绕贯穿(MWT)电池、发射极环绕贯穿(EMT)电池等，这些技术都使晶体硅太阳电池效率显著提升。本文将对这些高效晶体硅太阳电池工艺技术逐一进行分析并讨论。

1　选择性发射极太阳电池

传统的太阳电池表面有一层掺杂浓度相对均匀的磷扩散层，称为发射极。选择性发射极的基本理念为：对金属栅线下的发射区进行高浓度掺杂，降低电池串联电阻，从而提高电池开路电压；对非栅线接触区域进行轻掺杂，降低光生载流子复合，增强电池的短波光谱响应能力，增加短路电流密度。制作选择性发射极有许多工艺技术[2,3]，如加热源掩膜处理、丝网印刷磷浆、激光刻槽埋栅、激光掺杂等。

中科院宁波材料所万青教授研究组提出了一种自对准激光掺杂工艺[4]，运用常规丝网印刷设备制备出高效晶硅体太阳电池。电池工艺在经过磷扩散后，表面会形成高磷浓度的磷硅玻璃层，而后通过图形化激光退火处理，将磷硅玻璃层中的磷元素扩散至硅中，从而选择性地在电池片表面形成重掺杂区；随后丝网印刷细栅线时，垂直交叉激光重掺线条，巧妙地实现自对准激光掺杂工艺，如图1所示。性能测试表明，扩散方块电阻为75 Ω/的单晶硅太阳电池，填充因子由原65％提高至79％，电池转换效率由14.4％提高至17.7％。

钝化发射极、背面定域扩散晶体硅太阳电池(PERL)由新南威尔士大学(UNSW)马丁格林教授发明，其成功采用了选择性发射极的概念，研发的电池效率达到25％[5,6](见图2)。PERL电池是对选择性发射极技术进行进一步改进，在电池背面的接触孔处采用溴化硼定域扩散，同时使发射极接触区域宽度小于顶部金属栅宽度。

图1　自对准工艺法制作的太阳电池结构图

图2　UNSW PERL电池结构

PERL电池具备高转换效率的原因有以下几点：1)电池正面具有规则的“倒金字塔”结构，其效果优于普通电池绒面结构，具备较低的反射率，从而提高光生电流；2)选择性的磷掺杂扩散，金属栅电极下重掺杂能形成良好的欧姆接触，非栅极接触区域的轻掺杂在满足横向电阻最优的基础上可提高短波光谱响应；3)电池背面进行定域、选择性的硼掺杂形成p区，既降低了背电极的接触电阻，又增强了背面场，使复合速度大幅降低，从而增加了电池的短路电流密度，提高转换效率；4)发射极钝化，发射极钝化降低表面态密度，减少了光生载流子的复合。

利用此项技术，新南威尔士大学与尚德公司联合开发的冥王星电池转换效率已达到20.3％[7]。

2　异质结（HIT）太阳电池

HIT太阳电池最早由日本三洋公司提出，以高质量超薄本征非晶硅层对晶体硅基底材料的两面进行钝化，降低表面复合损耗，提高了器件对光生载流子的收集能力，从而形成高效的新型晶体硅太阳电池[8](见图3)。松下公司研制的HIT太阳电池的转换效率已达到了25.6％。

图3　HIT太阳电池与传统晶体硅太阳电池结构的对比图

HIT太阳电池的优势主要有：

1)低温技术：由于HIT太阳电池使用α-Si构成p-n结，所以整个工艺可在较低温度下(＆lt;300 ℃)制造完成，降低制造工艺的温度。

2)高转换效率：传统晶体硅太阳电池使用SiO2或SiN等薄膜作为钝化层，而HIT太阳电池以独有的氢化非晶硅薄膜作为表面钝化层，对晶体硅表面钝化非常好。

3)节省面积：由于HIT电池的高转换效率，使其在满足相同的功率输出时，需用的占地面积较少，可极大降低组件安装的综合成本。

4)稳定性好：由于衬底为n型单晶硅，所以没有因形成B-O复合体而导致的光衰效应，且对金属杂质的容忍度较p型硅衬底高。此外，HIT太阳电池温度稳定性也较传统晶体硅太阳电池好。

5)低成本：HIT太阳电池的厚度薄，硅片厚度＆lt;100 µm(可至70 µm)[9]，电池板的薄型化可以节省硅材料的成本。

3　交错背接触（IBC）太阳电池

上世纪70年代IBC太阳电池的器件原型被提出[10]。美国Sunpower公司开发的产业化高效IBC电池示意图如图4所示。在IBC电池中，产生于表面区域的光生载流子必须穿过硅基体才能到达背电极，这就需要使用少子寿命长的高品质硅材料。n型硅材料的少子寿命长，对杂质的容忍度较高，且无光衰效应，所以较适用于制作IBC太阳电池。

图4　Sunpower公司IBC太阳电池示意图

IBC太阳电池选用n型硅衬底，为降低表面复合，前后表面利用热氧化膜进行钝化处理。采用半导体工艺中的光刻技术，在电池背面分别进行磷、硼定域掺杂，形成有指状交叉排列的p/n区，以及位于其上方的p+/n+重掺杂区[11]。由于p+和n+区接触电极的覆盖面积较大，形成了较低的串联电阻。美国Sunpower公司设计的IBC太阳电池实现了24.2％的高转换效率，成为高效晶体硅太阳电池的典型代表。

IBC太阳电池具有重要的高效特征，包括：1)入射光子数的最大化。因基区和发射区的金属栅交错制作于电池背面，避免了电池表面金属栅的遮光损耗。2) IBC电池表面的轻掺杂避免了传统电池“死层”的出现，增强了短波光谱响应。电池背面利用SiO2作为钝化层，提高了背反射率和长波的光谱响应，进而使IBC电池具有更高的转换效率。Mulligan等[12]实现了电极与基区和发射区在背面定域点接触，使载流子复合速度大幅降低，提高了开路电压，并用SiO2兼作钝化层及隔离层，使器件的效率达到了21.5％。3)基区和发射区的电极均制作在背面，可实现电池正、负极焊线的共面拼装，简化了光伏组件制作工艺流程，易实现自动化，提高生产效率。

4　金属环绕贯穿（MWT）太阳电池

MWT太阳电池同IBC太阳电池一样为背接触式电池，其结构和传统丝网印刷电池的结构较接近，如图5所示。前面是发射极和细栅结构，而主栅移到了电池背面，电池背面印刷铝背场和p区电极，通过激光技术在细栅上刻蚀出孔洞，然后在孔内进行扩散和金属化，达到正面的细栅和背面的主栅连接导通的目的，而后在基区电极接触区形成铝背场，在主栅电极接触区进行重掺杂。

图5　MWT太阳电池结构示意图

在MWT太阳电池中，由于发射区放置在电池的前表面和金属化孔中，缩短了收集载流子所需的扩散长度，提高了收集光生电流的效率，对于较低品质的硅材料基体依然可获得较高的电流密度，所以，MWT太阳电池可以采用多晶硅片制作高效太阳电池。

图6　PUM太阳电池

荷兰能源研究中心(ECN)经过多年研究，已将此项技术实现了产业化，采用典型的MWT技术制作出一种名为PUM的太阳电池，如图6所示。PUM太阳电池中不存在像传统电池的主栅结构，而是电池背面特定分布的接触电极点，有效减少了传统主栅结构的遮光损耗，同时降低了发射区电极界面处的载流子复合概率，提高了转换效率。近几年，MWT技术发展很快，多晶MWT太阳电池平均效率达到18.5％，单晶MWT太阳电池平均效率已达20％。

尽管如此，MWT太阳电池的制备仍面临许多难题[13]，如低损伤孔洞的制备，如何精准而可靠地激光穿孔，如何避免孔洞和周边材料造成热损伤而带来隐裂和漏电等缺陷等。此外，如何制备良好的金属化孔洞、降低串联电阻也非常关键。

5　发射极环绕贯穿（EWT）太阳电池

EWT太阳电池同样是一种背接触式电池[14]，与MWT太阳电池类似，EWT太阳电池也是通过在电池上打孔来实现上、下两面的联通。与MWT太阳电池不同的是，在EWT太阳电池中，收集电流的栅线从电池正表面转移至电池背面。

1993年Gee等[15]研制出EWT太阳电池，电池的p-n结位于正表面，为减少光反射损失，采用了良好的金字塔结构和减反射膜；再利用重掺杂或金属化孔洞的方法把电池正面发射区和背面局部发射区连接在一起，把前后表面收集的电流都传导到背面电极上，正、负电极栅线交叉排列在电池背面，主栅则排列在背面的两侧。EWT太阳电池的结构如图7所示。

图7　EWT太阳电池结构示意图

EWT太阳电池正表面没有栅线电极，通过太阳电池中许多微型导电孔来收集电子，并传递到背面的发射区电极上，不仅增加了光子收集率，而且可达到双面集电的效果，增加光生电流密度，提高了转换效率，且更便于光伏组件的封装及自动化生产。因此，EWT太阳电池兼具了IBC电池与MWT太阳电池的优点。但由于EWT太阳电池工艺本身的特殊性，如孔洞损伤和金属填充、表面钝化、背电极之间的并联电流、背面正负栅线的电学隔离、发射极串联电阻等，都决定了EWT太阳电池的电学性能还不够理想[16]，需要继续改良工艺技术，使其向工业化方向发展。

6　总结

高效晶体硅太阳电池的技术发展方向是低成本、高效率、高稳定性。随着原材料、生产设备和技术的升级改进，以及先进微电子工艺的不断渗透，将有越来越多的新型低成本高效太阳电池走向产业化，相信晶体硅太阳电池必将会得到更加快速的发展。

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2016-03-04

常欣(1980—)，男，工程师、硕士，主要从事高效太阳能硅片及电池的研发和生产。clement_8@126.com